Жидкий гелий


Жидкий гелий.

 

 

Жидкий гелий – бесцветная прозрачная жидкость, без запаха, имеющая температуру кипения -268,928 °C (4,222 K, -452,070 °F). Является одним из четырёх агрегатных состояний гелия.

 

Жидкий гелий, свойства, характеристики и температура жидкого водорода

Хранение и обращение с жидким гелием

Применение жидкого гелия

Жидкий азот, жидкий водород

 

Жидкий гелий, свойства, характеристики и температура жидкого водорода:

Жидкий гелий – бесцветная прозрачная жидкость, без запаха, имеющая температуру кипения для 4He -268,928 °C (4,222 K, -452,070 °F). Является одним из четырёх агрегатных состояний гелия.

Его температура кипения и критическая точка зависят от того, какой изотоп гелия присутствует: обычный изотоп гелий-4 (4Нe) или редкий изотоп гелий-3 (3Нe).

Всего известно на данный момент времени 8 изотопов, но только два из них стабильны. Остальные представляют собой шесть искусственных радиоактивных изотопа. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He (изотопная распространённость – 99,99986 %) и гораздо более редкого 3He (0,00014 %, содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьировать в довольно широких пределах).

Температура кипения гелия-4 (4Нe) составляет −268,928 °C (4,222 K, -452,070 °F).

Точка кипения гелия (T = 4,222 K для 4He) наименьшая среди всех веществ.

Температура кипения гелия-3 (3Нe) составляет −269,96 °C (3,19 K, -453,93 °F).

При атмосферном давлении гелий не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Гелий – это единственное вещество не затвердевающее при обычном давлении даже вблизи 0 K, он (гелий-4) кристаллизуется при температуре 1-1,5 K только под давлением выше 2,5 МПа.  При более высоких температурах жидкий гелий затвердевает при достаточном давлении. При комнатной температуре для этого требуется около 114 000 атм.

Жидкий гелий обладает малым показателем преломления, из-за чего его трудно увидеть.

При определённых условиях жидкий гелий-4 (при температуре 2,1768 К (-270,9732 °C; -455,7518 ° F) и ниже) проявляет квантовые свойства и представляет собой квантовую жидкость, то есть жидкость, в макроскопическом объёме которой проявляются квантовые свойства составляющих её атомов. Из-за квантовых эффектов (нулевые колебания) при нормальном давлении гелий не затвердевает даже при абсолютном нуле.

Фазовый переход у гелия 4 был обнаружен в 1930 году Виллем Хендрик Кеезом. Он назвал фазу, устойчивую выше температуры 2,1768 K, гелием I, а фазу, устойчивую ниже этой температуры – гелием II.

Температурная точка 2,1768 К (-270,9732 °C; -455,7518 ° F) именуется лямбда-точкой, ниже которой жидкий гелий (гелий I) переходит в состояние сверхтекучести (гелий II). Иными словами, жидкий гелий выше лямбда-точки именуется гелий I, а при температуре ниже 2,1768 К (-270,9732 °C; -455,7518 ° F) именуется гелий II.

При 2,1768 К (-270,9732 °C; -455,7518 ° F) и обычном давлении гелий-4 претерпевает фазовый переход второго рода (от гелия I к гелию II), сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоемкости, вязкости, плотности. Фазовый переход в гелии хорошо заметен, он проявляется в том, что кипение прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. Однако в самой лямбда-точке кипение жидкого гелия внезапно, на мгновение становится сильным.

Для гелия II (при температуре ниже 2,1768 K) характерна сверхтекучесть – способность протекать без трения через узкие щели (размером менее 100 нм). У гелия II отсутствует вязкость. Гелий II также обладает огромной теплопроводностью. Теплопроводность гелия II больше, чем у любого другого известного вещества, в миллион раз больше, чем у гелия I и в несколько сотен раз больше, чем у меди. Поэтому в отличие от бурно кипящего гелия I, гелий II выглядит как спокойная жидкость с ясно видимым мениском. Гелий II не пузырится, а испаряется непосредственно со своей поверхности.

Сверхтекучий гелий – гелий II относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики. Состояние жидкости в фазе гелия II в некоторой степени аналогично состоянию конденсату Бозе-Эйнштейна (однако, в отличие от конденсата атомов разреженного газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима напрямую к гелию II).

Наглядно сверхтекучесть жидкого гелия проявляется, например, в ходе следующего опыта. Если сверхтекучий жидкий гелий налить в сосуд, он начнет вытекать наружу через его края в направлении более высокой температуры, даже если уровень жидкости сильно ниже краев этого сосуда. Гелий II, вытекая таким образом из сосуда, движется вдоль поверхности против силы тяжести. Гелий II будет выходить из незапечатанного сосуда, растекаясь по стенкам, до тех пор пока не достигнет более теплой области, где он испаряется.

Сверхтекучесть гелия была открыта в 1938 году П.Л. Капицей открыл сверхтекучесть гелия-II (Нобелевская премия по физике за 1978 год), а квантовомеханическое объяснение явления было дано Л.Д. Ландау в 1941 году (Нобелевская премия по физике за 1962 год).

Как и другие криогенные жидкости, гелий I кипит при нагревании и сжимается при понижении температуры. Однако ниже лямбда-точки гелий II не кипит, а расширяется при дальнейшем понижении температуры.

Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком Хейке Камерлинг Оннесом в Лейденском университете в Нидерландах. В то время гелий 3 был еще неизвестен.

Гелий-3 удалось сжижить только в 1948 году, а в 1972 году в жидком гелии-3 также был обнаружен фазовый переход. Было экспериментально показано, что ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм гелий-3 действительно становится сверхтекучим.

 

Хранение и обращение с жидким гелием:

Как и другие криожидкости, жидкий гелий хранят в сосудах Дьюара. Жидкий гелий в них всегда хранится под небольшим давлением — за счёт естественного испарения жидкости. Это позволяет в случае небольшой негерметичности не допустить загрязнения гелия. Избыточное давление стравливается через клапан. На практике, так как гелий достаточно дорог, то, чтобы не выпускать газ в атмосферу, на головной части сосуда Дьюара размещается соединительная часть для подсоединения сосуда Дьюара к гелиевой сети, по которой газообразный гелий собирается для повторного использования. Как правило, на этом же узле крепится манометр для контроля давления и аварийный клапан.

Так как жидкий гелий имеет высокую теплопроводность, поэтому к качеству теплоизоляции гелиевых сосудов Дьюара предъявляются высокие требования. Как правило, для снижения потерь гелия на испарение используется «азотная рубашка» — непосредственно в вакуумной полости сосуда Дьюара расположена ещё одна оболочка, которая охлаждается кипящим жидким азотом (температура 77,35 К (-195,8 оС)). За счёт этого удается существенно сократить теплообмен между гелием и атмосферой.

 

Применение жидкого гелия:

– для охлаждения охлаждение сверхпроводящих магнитов в различных научных, технических и медицинских устройствах (например, ускорителях заряженных частиц, детекторах инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометрах, сканирующих туннельных микроскопах),

–  в научных исследованиях.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com,